“鬼成像”技术究竟“鬼”在哪里？ 双光子成像、关联成像、纠缠量子成像

“鬼成像”技术究竟“鬼”在哪里？ 双光子成像、关联成像、纠缠量子成像

鬼成像( ghost imaging)又称双光子成像或关联成像。以前叫纠缠量子成像。是一种利用双光子复合探测恢复待测物体空间信息的一种新型成像技术。

“鬼”在什么地方，主要是相对于传统（经典）成像技术而言的。

传统的成像技术，是摄像头（CCD等）直接去“看”物体，从而得到物体的像。

而鬼成像则不需要直接用摄像头直接看物体，就能恢复物体的像，显得非常诡异。

传统光学：是基于光场强度分布测量，光场的一阶关联信息（强度与位相）。

鬼成像：则基于光场强度的关联测量，光场的二阶关联（一种强度波动的统计相关）。　

鬼成像一般由两个部分组成，第一个部分叫做参考光，另一个部分叫做信号光。参考光不经过物体，在经过一定距离的自由传播后，其强度分布信息被一具有空间分辨能力的探测器所探测。信号光照射到待成像物体，透射光或反射光被一不具有空间分辨能力的桶探测器收集并记录总光强值。

通过对两路光场的强度值进行关联计算（符合测量），即可恢复出物体的信息。

由于符合测量中的空间分辨部分是在没有物体的参考光路中进行的，而对有物体的信号光路只执行桶探测，这些性质难以由传统的光学成像理论解释，因此被称为“鬼”成像。鬼成像是通过多光子的符合测量或光电流的关联测量获取物体图像信息的新型成像方式。

用别人的话解释是：让一路光通过物体（或者被物体反射），然后把透射光（或者反射光）在空间上各个像素点的光强都加在一起，变成一个总光强I1，这里I1是一个数；另外一路光不通过物体，但是让它走和第一路光一样长的距离，之后把它空间上各个像素点的光强分布值都记录下来，即I2，这里I2是一个矩阵。单单知道I1或者I2都不能得到物体的像，但是把I1和I2乘起来再通过多次测量取平均就可以恢复物体的像了。

上图为经典热光鬼成像示意图，Db就是经过物体之后的（图中为透射）的一个单像素（桶）探测器。Da就是一个探测器阵列（ccd或者cmos等），来记录光源的形状。

鬼成像是量子和还是经典？

鬼成像一开始是在1995年由马里兰大学的史砚华组做出来的，用的是量子纠缠光子对，他们认为这是量子效应。但是后来，罗切斯特大学的人用经典光源也做出来了，他们认为鬼成像用经典理论也能解释。于是人分两拨，史砚华站量子解释，麻省理工的J. H. Shapiro和罗切斯特的R. W. Boyd站经典解释。史砚华写了一篇“The Physics of Ghost Imaging”的综述文章，里面用量子论解释；J. H. Shapiro和R. W. Boyd在另外一个杂志写了一篇题目一模一样的综述，用经典理论解释。

鬼成像和单像素成像？

其实感觉就和单像素成像的感觉差不多，也是只需要一个单像素探测器和另外知道光源的样子再经过多次测量就可以恢复出物体的形状。

据说，08年，MIT的J. H. Shapiro在PRA(R)发了理论文章（Computational ghost imaging），主要思想是把传统鬼成像所需要的两路光改为一路光，用一个空间光调制器（SLM）产生随机强度分布，从而替代参考光那一路，于是只需要用一个单像素相机就可以完成测量，他的目的是想就此论证鬼成像完全可以用经典理论解释。之后压缩感知的算法在09年被引入了鬼成像的图像恢复中。下图就是计算鬼成像的示意图。俨然就是一个单像素成像系统。

对于两者来说，它们的成像算法可以互通，都是用随机光强分布矩阵与单像素测量得到的光强做关联运算或者叫符合运算。

参考资料：

鬼成像.shtml

单像素